La scoperta del Bosone di Higgs a LHC

La scoperta del Bosone di Higgs a LHC Roberto Ferrari Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Liceo Marconi - Parma, 8 marzo 2013

Sommario 1. l'acceleratore (LHC) 2. il modello standard 3. l'esperimento (ATLAS) 4. risultati 5. un po' di pubblicità 2 2

1. l'acceleratore (LHC) 3 3

Come si cerca il bosone di Higgs? Con la forza bruta Collisionatori ( collider ) Ma con precisione al limite della tecnologia (e oltre) Posizioni al millesimo di millimetro ( micron ) Tempi al miliardesimo di secondo ( nanosecondo ) 4

Cos'è un collider? Macchina che provoca scontri frontali tra particelle cariche accelerate ad alta energia E 2 mc 5

Cos'è un collider? Le particelle (o pezzi di esse) si annichilano e tutta l'energia è disponibile per E 2 mc 6

Cos'è un collider?.. per creare altre particelle, più pesanti e più rare... più energia, più possibilità di creare particelle sempre più pesanti? E 2 mc 7

Cos'è un collider? Che però decadono subito in particelle più leggere, più stabili e già note? E 2 mc 8

Collider Due categorie: e+epp/pp [1] [2] [1]=pallettoni da cinghiale [2]=pallottole per quaglie (tanti pallini) 9 9

Accelerazione di Protoni Tutto parte da una bombola di idrogeno... Gli atomi vengono ionizzati ( spogliati dell'unico elettrone) Un campo elettrico spinge i protoni nudi nel primo acceleratore Campi magnetici li catturano e li tengono sulla giostra Campi elettrici e elettromagnetici (radiofrequenze) li accelerano All'energia giusta vengono passati nell'acceleratore successivo Protoni in pacchetti (in LHC 2808 con 1011 protoni ciascuno) 10 10

Elementi di un Acceleratore (sincrotrone) Campi magnetici (dipoli): immaginate le catene del calcinculo Campi elettromagnetici (cavità a radiofrequenza): immaginate un braccio che dà una spinta ogni volta che un seggiolino gli passa davanti spinge più forte chi va più piano! 11 11

I Dipoli 12 12

Le Cavità a RadioFrequenza 13 13

14 14

CERN Tanti diversi acceleratori: PS, SPS,..., LHC Programma di ricerca mirato (ma non esclusivo) alla fisica delle particelle. 15 15

CERN - SPS Gran Sasso 16 16

Verso il Gran Sasso Il fascio di neutrini per il Gran Sasso passa sotto il Monte Maggiorasca (confine Parma-Piacenza-Genova) 17 17

Parametri importanti (LHC) 1) Energia: 14 TeV [ ora 8 TeV ] 2) Intensità: 1 miliardo/s 3) Frequenza: 40 milioni/s [ ora 20 milioni/s ] 1 TeV = energia di una zanzara in volo, concentrata in uno spazio un milione di milioni di volte più piccolo 18 18

Treni di protoni il bosone di Higgs è raro: < 1 ogni 10 miliardi di collisioni protoni raggruppati in pacchetti da 100 miliardi ciascuno ~ 20 μm ~8 cm circa 3000 pacchetti circolanti => 40 milioni di collisioni al secondo come sparare due spilli dai lati opposti dell'atlantico e farli urtare a metà strada.. ogni 25 miliardesimi di secondo 19 19

Energia e lunghezza lunghezza d'onda * frequenza = velocità della luce energia : frequenza = costante di Planck λ λ λ * E = costante (1 nm 200 ev) 20 20

Dimensioni - Cellula: qualche millesimo di mm (10-6 m) - Molecola: qualche milionesimo di mm (10-9 m) - Atomo: ~ 100 miliardesimi di mm (10-10 m) - Nucleo: ~ 0.001 miliardesimi di mm (10-15 m) - Quark (?) < 0.1 milionesimi di miliardesimi di mm (10-19-10-20 m) 21 21

Mondo Osservabile Atomo : Nucleo ~ 105 ~ Nucleo : Quark Uomo : Atomo ~ 1010 ~ Atomo : Quark Età universo = 13.7 miliardi di anni dimensioni universo osservabile ~ 1026 m circa 46 ordini di grandezza rispetto ai quark (Universo : Uomo) quasi come (Uomo : Quark) 22 22

Microscopio per Particelle Maggiore energia degli urti migliore capacità di risoluzione del microscopio : LHC ~ 10-20 m come se guardassimo un campo da calcio dai confini dell'universo LHC = Microscopio più potente mai costruito! nuove particelle? sottostruttura dei quark? dimensioni extra? stringhe? 23 23

Macchina del Tempo Negli urti piombo-piombo, densità (pressioni) e temperature come solo pochi istanti dopo il Big Bang: T ~ 1800 miliardi di gradi ~ T(interno del sole) x centomila materia ordinaria (protoni, neutroni, nuclei) completamente fusa nuovo stato della materia 24 24

2. il modello standard 25 25

L'esperimento di Rutherford (1909-1911) 26 26

La struttura dell'atomo - 1 o più elettroni orbitano attorno ad un nucleo - massa concentrata nel nucleo - raggio orbite ~ 0.1 nanometri (10-10 m) - raggio nucleo ~ 1 femtometro (10-15 m) Legame atomico: cariche e forze elettromagnetiche (energie ~ 1 ev) Se l'atomo fosse un campo da calcio il nucleo sarebbe una biglia di 1 mm al centro del campo Problema: cosa tiene assieme il nucleo?... cariche e forze nucleari (energie ~ 1 MeV) 27 27

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I Quark 1969 Stanford Linear Accelerator (SLAC) Scattering (urti) inelastici (il protone si rompe) di fasci di elettroni su bersagli (protoni) Si parte con 3 quark: u,d,s protone: uud neutrone: udd decadimenti deboli: d,s u [ es. decadimento beta del neutrone: n29 peν ] 29

il quark charm 1974: J/Ψ (stato legato cc) e+e- cc μ+μquando la sfiga SLAC e+e- ring (SPEAR) 30 30

Adone (LNF) 31 31

I bosoni vettoriali W±/Zo (1983) pp W± e±ν pp Z e+e- CERN pp Collider 32 32

interazioni deboli Cariche: decadimento beta: n p W- p e- ν emissione di un W virtuale produzione W: pp W± e±ν creazione di un W reale Neutre: correnti neutre: νp νp scambio di uno Z virtuale produzione Z: e+e- Z νν creazione di uno Z reale 33 33

I decadimenti β± decadimento β-: 60 Co 60 Ni + e- + ν [ ~5 anni ] [ n p + e- + ν ] decadimento β+: 18 F 18O + e+ + ν [ ~110 minuti ] [ p n + e+ + ν ] * PET * e+ (1932) = positrone = antiparticella dell'elettrone 34 34

<<Cari Signore e Signori Radioattivi, Come latore di queste righe [...] cercherò di spiegarmi in modo più esatto, considerando le statistiche 'false' dei nuclei dell'n-14 e del Li-6, così come lo spettro β continuo. Ho escogitato un rimedio disperato per salvare il "teorema dello scambio" di statistiche e il teorema dell'energia. Vale a dire [c'è] la possibilità che possano esistere nei nuclei particelle elettricamente neutre che mi piace chiamare neutroni, le quali hanno uno spin di 1/2 e obbediscono al principio di esclusione e, in più, differiscono dai quanti di luce nel senso che non viaggiano alla velocità della luce: la massa del neutrone deve essere dello stesso ordine di grandezza della massa dell'elettrone e, in ogni caso, non superiore a 0,01 della massa del protone. Lo spettro β continuo diventerebbe allora comprensibile in base al presupposto che nel decadimento β un neutrone venga emesso insieme all'elettrone, in modo tale che la somma delle energie del neutrone e dell'elettrone resti costante. [...] Ma non mi sento abbastanza sicuro di pubblicare qualcosa riguardo a questa idea, così per prima mi rivolgo con fiducia a voi, cari radioattivi, con una questione in merito alla situazione concernente la prova sperimentale di un tale neutrone, se abbia qualcosa come circa 10 volte la penetrante capacità di un raggio γ Ammetto che il mio rimedio può sembrare di avere un piccola probabilità a priori, perché i neutroni, se esistono, probabilmente sarebbero stati visti molto tempo fa. Tuttavia, solo chi scommette può vincere, e la gravità della situazione dello spettro β continuo può essere resa in modo chiaro con il detto del mio onorato predecessore in carica, Mr. Debye, [...] "È meglio non pensarci affatto, come le nuove tasse." [...] Così, cari radioattivi, mettetelo alla prova e sistematelo nel modo giusto. [...] Con tanti saluti a voi, anche a Mr. Back, il vostro devoto servitore» 35 35

un bel problema: la massa! particelle antiparticelle a) i decadimenti beta coinvolgono solo particelle sinistre e anti-particelle destre b) la massa mescola in modo irreparabile particelle destre e sinistre (esistono sistemi di riferimento in cui le due proprietà si invertono) non può essere inclusa nella teoria; * le equazioni diventano incoerenti e inutilizzabili * Soluzione: + nuova forza [ campo di Higgs ] + (almeno) un nuovo mediatore associato ad essa [ bosone di Higgs ] 36 36

Meccanismo di Higgs (BEHGHK) a) un campo di forza permea lo spazio ovunque uniformemente b) le diverse particelle sono più o meno note al campo (più sono note = più fortemente interagiscono) - immaginate questo campo come la folla ad una fiera - immaginate le altre particelle come persone più o meno famose che attraversano la folla: più sono famose e più lentamente riusciranno a passare più massa acquisteranno particelle senza massa continueranno a muoversi alla 37 37 velocità della luce

Il Bosone di Higgs - il campo frena le particelle, come la gelatina frena un proiettile - rallentare una particella equivale a farle acquisire una massa - particelle indifferenti a questo campo di forza restano di massa zero - la forza è trasportata da una particella nuova (mediatore): il bosone di Higgs 38 38

il nome del bosone... diverse scuole di pensiero: 1) bosone di Higgs 2) bosone BEH (Brout-Englert-Higgs) 3) bosone BEHGHK (Brout-Englert-Higgs-GuralnikHagen-Kibble) 4) bosone scalare del modello standard ipotizzato per la prima volta nel 1964 (da Peter Higgs) 39 39

Mediatori Forza lavoro = trasferimento energia Azione a distanza? No mediatori interazione es. 1: interazione e.m. : fotoni es. 2: interazione nucleare forte : pioni [ previsione: 1935 scoperta: 1947 ] es. 3: interazione nucleare debole : W/Z [ previsione: ~1965 scoperta: 1983 ] 40 40

Bosoni / Fermioni Due categorie di particelle a seconda del momento angolare (spin) - spin intero (0, 1, ) : statistica di Bose-Einstein Bosoni fotoni (1), particelle α (0), 12C (0), 6Li (1) scalari: spin 0 vettoriali: spin 1 - spin semi-intero (1/2, 3/2, ) : statistica di Fermi-Dirac Fermioni (principio di esclusione di Pauli) elettroni, protoni, neutroni, neutrini (tutti con spin ½) 41 41

Modello Standard (tavola periodica) - particelle materia e particelle forza (+ relative antiparticelle) - tre famiglie di materia - mondo conosciuto fatto della prima (e un po di seconda) 3 forze (intensità relativa): - Forza nucleare forte (1) Forza nucleare debole (10-5) Forza elettromagnetica (10-2) Non pervenuta: Gravità (10-36) (*) Cariche elettriche? (*) Masse? (*) Numero famiglie? (*) Materia Oscura? 42 (*) Gravitazione? 42

Higgs: decadimenti possibili il bosone di Higgs non è stabile, decade in particelle più leggere gli stati finali sono molteplici e previsti dalla teoria - i più importanti sono: γ γ Il bosone di Higgs, come tutte le particelle instabili, viene ricostruito partendo dai prodotti che ci aspettiamo dal suo decadimento 43

Carta d'identità del bosone di Higgs 44 44

3. l'esperimento (ATLAS) 45 45

I 4+2 Moschettieri [ portavoce 2011 ] ATLAS [ Fabiola Gianotti ] A T CMS LAS [ GuidoC M S Tonelli ] A T o r o id a l L H C A p p a r a tu S C om pact M u o n S o le n o id µ µ LHCb [ Pierluigi Campana ] ALICE [ Paolo Giubellino ] più Totem e LHCf 46 46

ATLAS: un microscopio alto 22 e lungo 46 m Muon Detectors Electromagnetic Solenoid Calorimeter End Cap Toroid Forward Calorimeter Barrel Toroid Shielding Inner Detector Hadronic Calorimeter 47 47

Tante (Diverse) Macchine Fotografiche 48 48

Come funziona? 1) si fermano le particelle di bassa energia (solenoide superconduttore) 2) si identificano tutte le altre (cariche, neutre, leggere, pesanti)!!! 3) si misura la loro energia Poche proprietà fondamentali determinano il comportamento di ogni particella quasi stabile 49 49

Il Tracciatore Interno 6.2m Pixel Detector 50 x 400 µm pixel risoluzione 12 x 100 µm 80 milioni di canali Semi-Conductor Tracker (SCT) 80 µm pitch risoluzione 16 x 580 µm 6.2 milioni di canali 2.1m Transition Radiation Tracker (TRT) 4mm Ø straw, lunghe fino a 1.5m risoluzione 170 µm 298mila canali 50 50

Il Toroide Centrale (Barrel) 51 51

Quanto è probabile un Higgs? La creazione di un bosone di Higgs ha una probabilità MOOOOLTO piccola (~ uno ogni 10 miliardi di urti) Eventi di fondo (soprattutto QCD) sono estremamente più probabili Occorre una selezione molto alta (1 evento su 10 milioni) 52 52

un ago in migliaia di pagliai Eventi interessanti (rarissimi) contengono: a) 1,2,3,4,... elettroni, muoni, fotoni, getti di grande energia b) grande energia mancante Ad esempio, il bosone di Higgs può decadere in: 4e, 4μ, 2e2μ, 2e2ν, 2μ2ν, eμ2ν, 2e2j, 2μ2j, 2γ, Golden channels : H 4e, 4μ, 2e2μ [ mh ~150-500 GeV ] ~ 1 Higgs ogni 300 mila miliardi di urti.. se va bene! 53 53

H γγ - miglior canale a bassa massa - rapporto segnale/rumore comunque pessimo: immaginate di cercare di riconoscere una nota musicale nella confusione di una fiera precisione di misura fondamentale simulazione montecarlo Prob(S>5) < 3*10-7 Scoperta necessari anni di presa dati (?) 54 54

Segnale e Rumore Il segnale c'è ma è completamente nascosto dal rumore di fondo 55 55

Segnale e Rumore Se sommo ( integro ) tante schermate il rapporto segnale/rumore migliora 56 56

Segnale e Rumore Aumentando ancora la statistica (integrando più a lungo) il segnale diventa riconoscibile 57 57

Selezione Eventi - ogni secondo avvengono 40 milioni di scontri - bisogna selezionare i 200 più interessanti per analizzarli con calma a) un primo sistema si preoccupa solo di segnalare se ritiene ci sia almeno 1 elettrone o 1 muone di alta energia, selezionando in media ~ 100 mila eventi cercate un granello di sabbia: avevate 20 campi da calcio da ispezionare rimanete con un campo da tennis b) un secondo sistema analizza un pò meglio i 100 mila eventi e segnala i 3 mila più interessanti del campo da tennis rimangono 2 tavoli da ping pong c) un terzo sistema analizza molto meglio i 3 mila restanti e segnala i 200 più interessanti dei 2 tavoli da ping pong, rimane una scacchiera di 70 cm di lato 58 58

4. risultati 59 59

3 anni di presa dati 60 60

Verifiche del Modello Standard 61 61

Il Bosone di Higgs H(130 GeV) ZZ* 4 μ 62 62

Sensibilità sperimentale 63 63

evento candidato H γγ 64 64

evento candidato H ZZ(*) 4μ 65 65

dati 2012 picco : 900 eventi in eccesso 30000 eventi di fondo picco : 16 eventi in eccesso 11 eventi di fondo 66 66

c'e' qualcosa di nuovo? Probabilità che il risultato sia casuale: quasi uguale alla probabilità che esca 15 volte di fila lo zero alla roulette (o 77 volte di fila il rosso) Fare 6 due volte di fila al superenalotto è ~40000 volte più facile Bosone di Higgs del M.S.? Statisticamente compatibile! 67 67

Higgs animati fotone-fotone 4 leptoni WW 68 68

H -> gg 69 69

H -> ZZ /home/roberto/marconi080313/4l-fixedscale-nomuprof2.gif 70 70

compatibilità con il Modello Standardc Signal Strength (= intensità del segnale): 0 = solo fondo MS 1 = fondo MS + Higgs [ fondo : processi già conosciuti ] fit massa e S.S. S.S. per categoria per M=125.5 GeV 71 71

Conclusioni ATLAS e CMS indipendentemente trovano che: - c'è una nuova particella è un bosone (decade in 2 fotoni) non è un bosone vettoriale (decade in 2 fotoni) è compatibile con il bosone di Higgs del Modello Standard Se lo è, è carino che sia lì, perché a LHC sarà possibile studiarlo in molti canali di decadimento: γγ, ZZ* 4l, WW* lνlν, bb, ττ Problema aperto: stabilità del potenziale di Higgs? (al crescere dell'energia l' auto-accoppiamento del bosone di higgs diventa negativo) 72 72

viviamo pericolosamente? 73 73

5. un po' di pubblicità 74 74

75 75

E' uno sporco lavoro ma qualcuno lo deve pur fare... 76 76

gli autori della scoperta 3000 miei collaboratori 77 77

~ 3000 scienziati di ~180 istituti da ~40 paesi diversi più di 1000 studenti di dottorato 78 78

L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare 19 sezioni, 11 gruppi, 4 laboratori nazionali, 1850 dipendenti. ~ 5000 ricercatori, la maggior parte universitari, distribuiti in 16 regioni diverse sezione gruppo laboratorio Fortemente integrato con il sistema universitario 79 79

Paradiso e Inferno Il Paradiso è dove: i cuochi sono francesi, i poliziotti inglesi, i meccanici tedeschi, gli amanti italiani e tutto è organizzato dagli svizzeri L'Inferno è dove: i cuochi sono inglesi, i poliziotti tedeschi, i meccanici francesi, gli amanti svizzeri e tutto è organizzato dagli italiani 80 80

A che serve la ricerca fondamentale? Faraday (1821, sulla induzione e.m.): Non lo so ma sicuramente prima o poi ci metteranno una tassa sopra Bob Wilson, fondatore del Fermilab alla commissione governativa sull energia, 1969: Non ha nulla a che fare direttamente con la difesa militare del nostro paese, se non per il fatto che lo rende degno di essere difeso. un paio di effetti collaterali 81 81

Il Web nel 2010 ha compiuto 20 anni http://info.cern.ch/www20 82 82

la proposta iniziale... 1989 vague but exciting 83 83

Adroterapia Oncologica Vantaggi Macroscopici: 84 84

C.N.A.O. - a Pavia Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica Inaugurato ufficialmente il 15 febbraio 2010 Fasci di particelle (protoni e ioni carbonio) per la cura di tumori difficilmente operabili, radio-resistenti,... 3 sale, ~20000 sedute per ~3000 pazienti l'anno Tutta la parte di generazione e controllo dei fasci è sviluppata dall'infn. Centro simile in costruzione in Austria (in collaborazione con CNAO, INFN, CERN,...) 85 85

CNAO / INFN 86 86

CNAO 87 87

Grazie per l attenzione 88 88